Ленивкин В.А., Евченко В.М., Стрижаков Б.Л. 

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы

по дисциплине «Электротехнологические процессы и оборудование»

 

ЭЛЕКТРОИСКРОВОЕ ЛЕГИРОВАНИЕ

 

Ростов-на-Дону 2007

 

Рассмотрены особенности переноса материала электродов при возникновении электрического разряда между ними, устройство и технологические режимы установки «ЭЛИТ0Н-52Б». Даны указания по настройке технологического процесса электроискрового легирования, определению количества материала, нанесенного на легируемую поверхность, и о порядке проведения измерений.

Предназначены для студентов специальностей 150202 всех форм обучения.

 

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучить особенности переноса материала электродов при возникновении электрического разряда между ними, устройство и технологические режимы установки «ЭЛИТ0Н-52Б». Приобрести навыки настройки технологического процесса электроискрового легирования (ЭИЛ) и оценки его качества.

 

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

2.1. Особенности переноса материала электродов в электрическом разряде

 

Электрические разряды в газах имеют несколько разновидностей. В технологических целях, как правило, используются искровой, тлеющий и дуговой разряды. Отличительной особенностью искрового разряда является малое время его существования 10^–6…10^–1 с, если при этом созданы условия для дальнейшего протекания тока, то искровой разряд переходит в дуговой.

Искровой разряд получают в основном благодаря разряду предварительно заряженного конденсатора на миниэлектродном промежутке (рис.1,а).

 

 

Рис.1. Принципиальная электрическая схема для получения искрового разряда (а) и временные зависимости напряжения U и тока I при искровом разряде (б)

 

Для искрового пробоя воздушного промежутка между электродами необходима напряженность электрического поля более 23 кВ/см. Это значит, что, заряжая конденсатор С, например, до U₀ = 25В, можно гарантировать искровой разряд между электродами Э₁ и Э₂ при зазоре между ними d » 0,01 мм.

При этом электрическая энергия, запасенная в емкости С и равная , Дж, преобразуется в тепловую энергию искрового разряда. Разряд начинается в некоторый момент t₀ (рис.1,б) после замыкания ключа К. В начале разряда ток I резко возрастает, но поскольку увеличение тока соответствует отбору энергии из конденсатора, а в нем ее запас начинает уменьшаться, то после достижения некоторого I_max ток начинает убывать. Так как существование разряда ограничивается некоторым минимальным напряжением, то при достижении I = 0 на конденсаторе остается некоторое остаточное напряжение U_ост.

Малое расстояние между электродами способствует тому, что до 90 % энергии, запасенной емкостью С, поступает в электроды и, вследствие малости размеров разряда, ее высокая концентрация приводит к локальному плавлению и испарению материала электродов. Это явление используется в технологических целях по двум основным направлениям:

·        так как ионизированные пары материала электродов под действием электрического поля осаждаются на катоде (отрицательно заряженном электроде), то появляется возможность легирования поверхности катода материалом анода;

·        так как анод сильнее разогревается из-за электронной бомбардировки, то и испарение его интенсивнее, чем катода, следовательно, удаляя из межэлекродного промежутка продукты эрозии, можно производить размерную обработку анода.

К первому направлению относится электроискровое легирование (ЭИЛ), ко второму – электроэрозионная обработка.

Поверхностный слой при ЭИЛ образуется в результате многократного воздействия на деталь электрическим импульсом и представляет собой ряд хаотически расположенных бугорков от застывших частиц материала электрода. Характерно, что шероховатость поверхности детали после ЭИЛ во всех направлениях одинакова.

 

2.2. Технологические режимы электроискрового легирования

 

Слою на поверхности детали в зависимости от параметров искрового разряда, состава электродного материала и других факторов можно придать требуемые свойства – повышенную микротвердость, жаростойкость и др.

Технологической характеристикой процесса ЭИЛ является интенсивность формирования поверхностного слоя, которая зависит от величины энергии разряда и среднего тока источника импульсов. Управление данными параметрами в процессе обработки осуществляется изменением электрических режимов. Различные режимы применяются в зависимости от требований, предъявляемых к формируемому слою: его толщине, микротвердости, пористости, сплошности, допустимой толщине переходного слоя, шероховатости поверхности. Энергия разряда обычно варьируется в диапазоне от долей до 8…10 Дж, средний ток – от 0,2 до 70…80А. Эти диапазоны обеспечивают проведение как чистовых, так и грубых процессов ЭИЛ.

Предел толщины покрытия для мягких режимов обработки (энергия разряда менее 0,5Дж) – 0,005…0,020 мм. При обработке с энергией разряда более 0,5 Дж толщина слоя достигает 0,03…0,30 мм и более.

При назначении технологических параметров ЭИЛ конкретного изделия необходимо учитывать условия его взаимодействия с сопрягаемым телом или окружающей средой.

Обработке ЭИЛ могут подвергаться поверхности плоские, круглые, сложной формы с наружной и внутренней стороны изделий широкой номенклатуры, но с обязательным обеспечением достаточно свободного доступа легирующего электрода к обрабатываемому участку.

Выбор поверхностей для обработки ЭИЛ производится с учетом силового, теплового, коррозионного и другого воздействия на них внешних факторов, а при работах по восстановлению размеров изделий также с учетом их износа. При этом основываются на технически обоснованных требованиях к качеству поверхности и свойствах поверхностного слоя (посадочные места под подшипники качения: поверхности, истираемые абразивной средой и др.).

 

2.3.Подготовка изделий к обработке ЭИЛ

 

Изделия из токопроводящих материалов, подлежащих ЭИЛ, должны быть обработаны на соответствие следующим требованиям:

1. С поверхностей должны быть удалены все загрязнения.

2. Изделия не должны иметь трещин, сколов и других дефектов.

3. Исходная шероховатость R_а поверхностей, подлежащих ЭИЛ для нанесения сплошного покрытия, не должна превышать 2,5 мкм – для покрытий толщиной до 0,05 мм; 12,5 мкм – более 0,10 мм.

4. Восстановлению размеров могут быть подвергнуты детали, износ которых не превышает толщины качественного покрытия.

 

2.4. Выбор материала и сечения электрода

 

В качестве материала электрода при обработке ЭИЛ могут применяться токопроводящие чистые металлы и их сплавы: карбиды, нитриды, бориды и другие соединения тугоплавких переходных металлов; твердые сплавы, композиционные материалы. Все материалы, применяемые в качестве электродных для ЭИЛ, условно делит на три группы, табл.1.

 

Таблица 1

Электродные материалы

 

При ЭИЛ большое влияние на формирование покрытия и его качество оказывает площадь сечения электрода. Это связано как с изменением температурного режима работы электрода, так и с плотностью проходящего через него импульсного технологического тока. В табл.2 приведены рекомендуемые значения площади поперечного сечения электродов для установки «Элитрон-52Б».

 

Таблица 2

Поперечное сечение электродов может быть круглой, прямоугольной формы (отношение сторон не более 3:1), исходная длина их рекомендуется не менее 20 мм.

 

3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

 

Установка «Элитрон-52Б» предназначена для ЭИЛ деталей машин при эксплуатации в помещениях, оборудованных водопроводной и канализационной сетями, вытяжной вентиляцией и средствами противопожарной безопасности.

Питание установки осуществляется от однофазной сети переменного тока напряжением 220 ± 10 % В, частотой 50 Гц.

Установка состоит из генератора, вибровозбудителя, провода и специального кабеля.

Генератор выполнен в отдельном корпусе на колесах и включает в себя два источника тока: ТТ-источника (транзисторного-тиристорного) и RС-источника (резисторно-емкостного). На передней панели в верхней части корпуса генератора размещены органы управления, приборы индикации наличия тока, светодиоды сигнализации включения сети. Под передней крышкой установлен выключатель «СЕТЬ». На задней панели генератора размещены: разъем для подключения установки к сети, разъем для подключения электрода-заготовки, разъем для подключения вибровозбудителей и патрубки для подключения системы охлаждения вибровозбудителя.

ТТ-источник тока состоит из зарядно-разрядной цепи, цепи управления вибровозбудителем, цепи управления зарядом накопительных конденсаторов и цепи управления разрядным тиристором.

Вибровозбудитель предназначен для коммутации разрядной цепи вибрирующим электродом-инструментом при работе ТТ-источника на рабочих токах от 6 А и более, а также при работе RС-источника. Вибровозбудитель состоит из пластмассового корпуса, в котором размещена магнитная система с катушкой и якорем. Якорь снабжен двумя патрубками для подвода и отвода охлаждаемой жидкости. Амплитуда вибрации регулируется пружиной. С генератором вибровозбудитель соединен жгутом.

Вибровозбудитель АИИ3.291.С51 предназначен для коммутации разрядной цепи вибрирующим электродом-инструмэнтом при работе ТТ-источника на рабочих токах до ЗА. Якорь снабжен сменным наконечником с держателем, в котором крепится электрод-инструмент. Использование этого вибровозбудителя на рабочих токах более 3 А категорически запрещается.

 

3.1. Принцип работы установки

 

Установка включается выключателем «СЕТЬ». Работа с ТТ-источником осуществляется при положении ручки переключателя «РЕЖИМ RC-ВЫКЛ» и одним из девяти положений ручки переключателя «РЕЖИМ ТТ». Положение ручки переключателя «РЕЖИМ ТТ» выбирается в соответствии с табл. I в зависимости от необходимого рабочего тока.

Для включения в работу RС - источника необходимо установить ручку переключения «РЕЖИМ ТТ» в положение 1 и включить в одно из трех положений ручку переключателя «РЕЖИМ RC» – 1, 2, 3 в зависимости от необходимого тока короткого замыкания.

Касание электродом-инструментом электрода-заготовки вызывает кратковременную работу вибровозбудителя.

Размах виброперемещений электрода-инструмента вибровозбудителя регулируется ручкой потенциометра «АМПЛИТУДА», при этом стабильность рабочих токов при работе ТТ-источника и RC-источника для каждого из установленных режимов достигается, регулировкой ручки потенциометра «ФАЗА».

Индикация рабочего тока осуществляется при помощи амперметра, при этом для индикации рабочего тока ТТ-источника ручку переключателя «РАБОЧИЙ ТОК» установить в положение ТТ ´ 0,5, а для индикации RC-источника – в положение RC ´ I0.

 

3.2. Подготовка установки к работе

 

Необходимо присоединить к генератору вибровозбудитель и закрепить в электродержателе вибровозбудителя выбранный по технологическим требованиям электрод-инструмент. Закрепить в приспособлении электрод-заготовку. Включить систему охлаждения и канализационную систему. Установить выбранный режим генератора. Подключить установку к сети. Ручку «АМПЛИТУДА» на лицевой панели генератора установить в крайнее правое положение.

Коснуться электродом-инструментом обрабатываемой поверхности электрода-заготовки (электрод-инструмент начнет вибрировать).

Вращением ручки «АМПЛИТУДА» влево, а также подбором сдвига работы вибровозбудителя регулировкой ручки «ФАЗА» добиться минимальной амплитуды вибрации вибровозбудителя, при которой ток, индуцируемый амперметром, держится стабильно.

Произвести ЭИЛ.

Выключить установку после окончания технологического процесса выключателем «СЕТЬ». Произвести разряд конденсаторов прикосновением электрода-инструмента вибровозбудителя с заготовкой. Обесточить установку и перекрыть подачу воды.

 

3.3. Меры безопасности

 

При эксплуатации и техническом обслуживании установки следует соблюдать "Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей", утвержденных Главгосэнергонадзором 21.12.84, а также правила, изложенные в настоящем разделе. Установка должна быть надежно заземлена.

При подключении к водопроводной сети системы охлаждения вибровозбудителя должна быть обеспечена защита токоведущих частей установки от попадания воды.

При подготовке установки к работе не допускается наличие следующих неисправностей:

·        повреждение или отсутствие крышек установки;

·        повреждение или отсутствие корпуса вибровозбудителя;

·        повреждение изоляции сетевого кабеля и вибровозбудителя.

·        отсутствие герметичности системы охлаждения.

При работе на установке:

·        под ногами оператора должен быть диэлектрический ковер;

·        оператор должен работать в защитных очках типа «ОД»;

·        применять противошумные вкладыши группы А, работать в перчатках, применять одежду, не пропускающую оптическое излучение.

Запрещается касаться электрода-инструмента и электродержателя вибровозбудителя.

Должна быть обеспечена вытяжная вентиляция рабочего места.

При эксплуатации установки должны соблюдаться правила пожарной безопасности и взрывобезопасности.

 

4. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

 

1. Изучить физическую сущность процесса ЭИЛ.

2. Ознакомиться с примерами применения ЭИЛ в машиностроении.

3. Изучить конструкцию установки «Элитрон-52Б» для ЭИЛ

4. Ознакомиться с технологическим процессом ЭИЛ.

5. Нанести упрочняющий слой на заданную деталь.

6. Произвести исследование наплавленного слоя.

 

 

5. ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Установка для электроискрового легирования «Элитрон-52Е» и техническое описание к ней.

2. Образцы для нанесения легирующего слоя.

3. Электрод-инструмент.

4. Измерительный инструмент и приборы для определения шероховатости поверхности, микротвердости и толщины нанесенного слоя.

5. Средства индивидуальной защиты.

 

6. ХОД РАБОТЫ

 

1. Изучить основные физические процессы, протекающие при электроискровом легировании поверхности деталей. Уяснить принцип образования упрочняющего слоя.

2. Изучить конструкцию и принцип работы установки «Элитрон-52Б».

3. Подготовить образцы к обработке ЭИЛ.

4. Выбрать материал и сечение электрода-инструмента.

5. Выбрать электрический режим установки и выставить его.

6. Выбрать схему ведения процесса и осуществить процесс ЭИЛ.

7. Исследовать нанесенный слой по заданию преподавателя.

 

7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

1. Особенности искрового разряда.

2. Структурная схема установки ЭИЛ.

3. Таблицы применяемых режимов обработки.

4. Экспериментальные зависимости (по указанию преподавателя).

5. Выводы.

 

 

Составители:

доктор техн. наук                  Вячеслав Андреевич Ленивкин

канд. техн. наук            Владимир Михайлович Евченко

доктор техн. наук                  Евгений Львович Стрижаков